Biografia del Atomo parte 2 – cimentando el concepto atomico

Hacia finales del siglo XIX, Joseph Thomson demostró que los electrones eran  parte de la estructura atómica que había sido enunciada por John Dalton casi un siglo antes.  Los átomos se podían identificar por un número de electrones característico y propio de cada elemento, y debido a la neutralidad de los átomos, a partir de estos datos se dedujo que un átomo neutro contiene una cantidad igual de cargas negativas.  Es así que Thomson en 1904 propuso un modelo donde los electrones estaban colocados dentro de una distribución homogénea de carga positiva que ocupaba todo el volumen atómico.  

Posteriormente en el año 1911, a partir de una serie experimentos de dispersión de partículas alfa, el físico neozelandés Ernest Rutherford probó que el modelo de Thomson era inadecuado y dedujo que la carga positiva constituyente de cada átomo debía estar localizada en una pequeña región colocada hacia el centro del átomo y que los electrones giraban a su alrededor gobernados por las leyes de la física clásica.  Sin embargo este modelo era insuficiente para explicar algunos hechos experimentales, por lo cual en el año 1913, el físico danés Niels Bohr, exdiscípulo de Rutherford, enuncia su teoría atómica cuantizada, en la cual introducía al modelo del átomo postulados de naturaleza cuántica, introducidos pocos años antes por Max Planck y Albert Einstein.  A partir de este modelo Bohr lograba explicar resultados experimentales como la estabilidad atómica, la emisión y/o absorción de radiación en forma cuantificada.

A pesar  de que el modelo atómico de Bohr permitía describir con precisión el comportamiento del átomo de hidrógeno, sin embargo, en los espectros de átomos de otros elementos no se reflejaba tal coherencia, y por el contrario se observaba que los electrones de un mismo nivel energético podían tener diferente energía, lo que evidenciaba un posible error en el modelo cuántico de Bohr.  Da esta manera un expupilo de Bohr, de origen alemán llamado Arnold Sommerfeld lo revisó, y propuso un nuevo modelo, el cual incluía la existencia de que para un mismo nivel energético existían distintos subniveles, es decir, magnitudes de energía ligeramente distintas.

Hoy el modelo atómico se desarrolla como una variante de esta propuesta y se interpreta con una gran complejidad matemática y estadística, este modelo fue desarrollado por el físico austriaco Erwin Schrödinger y su colega el físico alemán Werner Heisenberg, este modelo está basado e el principio de incertidumbre.  En este modelo atómico cuántico los electrones no estaban en órbitas estables sino en orbitales definidos por una probabilidad estadística.  La importancia de esta teoría sobre la estructura del átomo para muchos resulta en la teoría más importante en la historia de la ciencia, esto por la gran cantidad de aplicaciones en diversos campos que se han derivado de ella.

Posterior a la dispersión de las ideas de Thomson, sobre el modelo del átomo los científicos comenzaron a comprender que los mismos estaban compuestos por sub unidades. Con el paso del tiempo, esas pequeñas unidades subatómicas fueron denominadas y estudiadas. Del mismo modo, Thomson ayudó a la comprensión de la interacción que mantienen los átomos entre sí.  Nace así uno de los campos más interesantes de la física moderna, la física de partículas.

Posterior a las ideas de Thomson el modelo atómico planteado por Bohr reviste una gran importancia científica, a pesar de que el mismo presentaba algunas limitaciones cuando se deseaba extender este modelo a otros átomos diferentes del hidrógeno. Sin embargo, la física de su época consiguió evolucionar de manera que las ideas de Bohr fueron ampliadas y revisada por otros grandes hombres de ciencia, entre ellos el mismo Bohr, que propuso en varias ocasiones modificaciones a si modelo inicial.  Para el año 1925 Werner Heisenberg, y en 1926 Erwin Schrödinger y Paul Dirac, formularon una serie de ideas que son la base de la mecánica cuántica, la cual comprende las teorías cuánticas precedentes y suministra las herramientas teóricas para la Física de la materia condensada.  Todo esto permitió desarrollar a su vez un modelo más complejo en función de explicar por fin cuál es el modelo que permite entender la verdadera naturaleza de la materia.

Hoy nuestra máquina del tiempo, nos lleva a la segunda parte de un viaje a través de la historia de la humanidad donde daremos seguimiento a la “historia” del átomo, especialmente durante el primer cuarto del siglo XX.

Música del capítulo

John Paesano -  RanVibes - Marvel's Daredevil Main Theme Extended
Krutikov Music - The Mandalorian - WESTERN VERSION - Red Dead Redemption
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Biografia del Atomo parte 1 - desarrollando del concepto del atomo hasta tiempos de Dalton

Si tomamos una hoja de papel de aluminio y la dividimos en mitades muchas veces, ¿podríamos dividirla indefinidamente en trozos más y más pequeños? ¿Seguirían siendo aluminio eses trozos?  Hace unos 2500 años los filósofos de la antigua Grecia ya pensaban en esto, y Leucipo de Mileto supuso que después de muchas divisiones se llegaría a tener una partícula tan pequeña que no se podría dividir más veces, a partir de estas ideas fue su discípulo, Demócrito de Abdera quien llamó átomos a estas partículas indivisibles, nacía así el atomismo.  

Sin embargo, la idea de que la materia está hecha de unidades discretas es más antigua y surge en muchas culturas aparte de la antigua Grecia, también en Roma con Lucrecio, en la India la doctrina Jainista con ideas como las Ajivika y también doctrinas hinduistas ortodoxas como la Niaaia y la Vaisheshika.  No obstante, estas ideas estuvieron fundadas en razonamientos filosóficos y teológicos más que en la evidencia y la experimentación, razón por la cual no convencían a todos y de esta forma el atomismo era una entre varias teorías sobre la naturaleza de materia.  No fue hasta el siglo XIX cuando los científicos abrazaron y refinaron la idea, ya que la a través de la relativamente nueva ciencia de la química se produjeron descubrimientos que podían explicarse de manera concreta utilizando el concepto del átomo. 

Fue con el trabajo del científico británico John Dalton hacia 1803 que expandió las ideas expuestas en la Ley de conservación de la masa, formulada por el científico ruso Mijaíl Lomonósov inicialmente y luego corroboradas por el químico francés Antoine Lavoisier, la cual declara que la masa total permanece constante tras una reacción química, y las ideas contenidas en la Ley de las proporciones constantes. Desarrollada por el químico y farmacéutico francés Joseph Louis Prouste.  

Las ideas de Dalton sobre el átomo, fueron aceptadas durante casi un siglo; sin embargo, con el tiempo se fueron descubriendo fenómenos que demostraban que el átomo no era indivisible y se descubrió que los átomos podían dividirse, de manera que se desarrolló el concepto de «partículas elementales» para describir estas partes "indivisibles", aunque no indestructibles, de un átomo.  Paralelamente el desarrollo de una teoría cuántica revolucionó la física de comienzos del siglo XX, cuando Max Planck y Albert Einstein postularon que se emite o absorbe una leve cantidad de energía en cantidades fijas llamadas cuantos. Hacia 1913, el físico danés Niels Bohr incorporó esta idea a su modelo atómico, en el cual los electrones orbitaban alrededor del núcleo en órbitas circulares determinadas y siendo proporcionales las distancias del núcleo a los respectivos niveles de energía.

Hacia la primera década del 1900, se demostró experimentalmente que los electrones, eran partículas que formaban parte de la estructura atómica. Además de que se podía de manera experimental aproximar una estimación del número de electrones en cada átomo. Debido a la neutralidad de los átomos, a partir de estos datos se dedujo que un átomo neutro contiene una cantidad tanto de cargas negativas como de cargas positivas. Estos resultados condujeron a la comunidad científica de la época a la elaboración de modelos que describan la distribución de cargas dentro del átomo. Inicialmente, Joseph John Thomson en 1904 propuso un modelo donde los electrones estaban colocados dentro de una distribución homogénea de carga positiva que ocupaba todo el volumen atómico.  

En 1911, a partir de experimentos de dispersión de partículas alfa por átomos, Ernest Rutherford probó que el modelo de Thomson era inadecuado y dedujo que la carga positiva constituyente de cada átomo debía estar localizada en una pequeña región colocada en el centro del volumen total atómico. 

Posteriormente y basándose en sus experimentos, Rutherford elabora su modelo atómico suponiendo que toda su carga positiva está concentrada en una región muy pequeña en el centro del átomo, llamada núcleo, y los electrones giraban a su alrededor gobernados por las leyes de la física clásica.  Sin embargo el modelo de Rutherford tenía una deficiencia, la inestabilidad que presentaba su descripción atómica, por lo que en 1913, Niels Bohr enuncia su teoría de la estructura atómica cuantizada. A partir de esta teoría  basada en postulados de naturaleza cuántica, Bohr logra reproducir resultados sorprendentes tales como la estabilidad atómica, la emisión y/o absorción de radiación en forma cuantificada, estados estables atómicos discretos, entre otros.

El modelo atómico actual presenta una gran complejidad matemática. Fue un modelo desarrollado sobre todo por Werner Heisenberg y Erwin Schrödinger basado en el principio de incertidumbre. En este modelo atómico cuántico los átomos no están en órbitas estables sino en orbitales definidos por una probabilidad estadística.  La importancia de esta teoría no puede ser exagerada, para muchos científicos la teoría atómica es la teoría más importante en la historia de la ciencia, esto por la gran cantidad de aplicaciones en diversos campos que se han derivado de ella.

Hoy nuestra máquina del tiempo, nos lleva a la primera parte de un viaje a través de la historia de la humanidad donde daremos seguimiento a la pequeña “historia” del átomo, la cual se convierte en un ejemplo magnífico del método científico, donde se idean modelos de como se cree que es la realidad, modelos que resultan válidos si explican hechos conocidos y previenen otros desconocidos, pero que dejan de ser válidos cuando nuevos resultados experimentales no concuerdan, esto es lo que ha ocurrido con la idea de átomo y probablemente esta historia continuará.

Música del capítulo

John Williams - Star Wars, Episode IV "A New Hope": Main Theme  
Daniel Caine Orchestra - Airwolf (mainTheme TV Series)
Roxette - Bit Universe – Listen to your heart
Vox Dei - Génesis